基于GC-MS法的金絲桃精油香氣成分分析

徐 晨, 趙 倩, 簡 興, 趙坤坤, 張遠(yuǎn)兵

(安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院,安徽 蚌埠 233000)

在植物分類學(xué)中,金絲桃(Hypericummonogynum)屬于雙子葉植物綱金絲桃科金絲桃屬(HypericumLinn)植物,目前該屬植物在全世界的野生自然狀態(tài)下共發(fā)現(xiàn)400余種,主要分布在溫帶以及亞熱帶地區(qū),中國現(xiàn)存有55個(gè)種8個(gè)亞種,分布于全國各地,特別是貴州、陜西等地區(qū)[1]。金絲桃屬植物提取的化學(xué)物質(zhì)豐富,如β-谷甾醇、金絲桃內(nèi)酯丙、槲皮素和槲皮苷等,具有一定的藥用價(jià)值,近年來備受關(guān)注[2]。金絲桃為金絲桃屬的代表種,因其花開性狀如桃花且為金黃色,花蕊細(xì)長,光澤燦若金絲,金絲桃因此得名。金絲桃花葉美麗,是一種常見的園林綠化花木,具有極佳的觀賞價(jià)值。同時(shí)還是一種中草藥,全株均可入藥,具有藥用價(jià)值。同屬植物貫葉金絲桃(H.perforatum)提取的金絲桃素、金絲桃苷等物質(zhì)屬于類黃酮化合物,已經(jīng)作為臨床藥物應(yīng)用多年[3]。

植物的次生代謝產(chǎn)物為人類提供了工業(yè)、食品、醫(yī)藥等原材料,對人類的生活和發(fā)展有著重要的意義[4]。而金絲桃屬植物化學(xué)成分復(fù)雜,富含金絲桃素、黃酮類、丹寧酸、氧二苯甲酮、間苯三酚類等多種營養(yǎng)成分,其中間苯三酚類因其化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎和豐富的藥理活性備受關(guān)注[5-6]。其藥用效果顯著,能清心明目,活血化瘀,止血止疼,解毒消炎,其提取的揮發(fā)油有抑菌作用,對于人體的燒傷等外傷有一定治療作用?？捎糜谔弁床课?能夠減緩癥狀[7]。目前國內(nèi)外已有多項(xiàng)研究關(guān)注到了金絲桃屬植物的化學(xué)成分,但這些研究大都集中于對藥用植物貫葉金絲桃的研究,而對金絲桃研究相比較少。近年來,關(guān)于揮發(fā)油的提取、分析及應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)。精油的提取有多種方法,包括水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法、油脂吸收法、壓榨法、CO2超臨界流體萃取法等[8]。最廣泛的提取植物精油的方法是水蒸氣蒸餾法,其具有水與油不互相溶解、操作簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)[9]。植物精油具有抗病毒、消炎止痛、抗癌抗瘤等多種生理活性,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、食品、醫(yī)療等方面[10]。有關(guān)金絲桃精油的香氣成分研究尚未見報(bào)道,因此本研究通過研究金絲桃的香氣成分,為該植物的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料 金絲桃樣品于2021年6月采自安徽科技學(xué)院校園內(nèi)。

1.1.2 試劑 無水乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);1,1-二苯基苦基苯肼(DPPH,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.1.3 儀器 水蒸氣蒸餾器(四川省蜀玻集團(tuán)有限責(zé)任公司);7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用儀(安捷倫科技(中國)有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 精油提取 分別稱取金絲桃新鮮樣品(1 500 g花苞,1 000 g花朵,2 000 g葉片),加入純凈水進(jìn)行蒸餾。蒸餾溫度為90 ℃,蒸餾時(shí)間為6 h。蒸餾過程中的產(chǎn)物經(jīng)冷凝管收集到分離器中,上層為精油,使用棕色玻璃瓶收集精油[11]。收集完成后用保鮮膜封口,置于4 ℃冷藏備用,精油得率參照黎貴卿等[12]方法測定。

1.2.2 氣相色譜-質(zhì)譜檢測條件 取1 g精油加入22 mL頂空瓶中,70 ℃下加熱平衡30 min,固相微萃取后,280 ℃下解析5 min進(jìn)樣。色譜條件:所用毛細(xì)管柱為HP-5MS 30 m×0.25 mm×0.25 μm。載氣為高純氦氣,流速為1 mL/min。不分流模式,進(jìn)樣口溫度為250 ℃。柱溫箱的升溫程序:50 ℃下保持5 min,然后以3 ℃/min升至86 ℃,1 ℃/min升至90 ℃,3 ℃/min升至180 ℃,保持3 min,以15 ℃/min升至230 ℃,保持5 min[13];質(zhì)譜條件:EI源,電子能量70 eV,離子源溫度為230 ℃,四極桿溫度為150 ℃;掃描模式為Scan;掃描質(zhì)量范圍為35～500 u,無溶劑延遲。

1.2.3 香氣化合物的定性定量方法 對檢測出的成分采用MS數(shù)據(jù)庫NIST14和保留時(shí)間進(jìn)行定性分析。數(shù)據(jù)庫篩選結(jié)果中扣除掉雜質(zhì)峰、柱流失峰等[14];面積內(nèi)標(biāo)法定量,即以鑒定成分峰面積占內(nèi)標(biāo)成分面積的百分比乘以內(nèi)標(biāo)質(zhì)量作為定量結(jié)果[15]。

1.2.4 數(shù)據(jù)的處理與分析 金絲桃提取的精油香氣成分先由氣相色譜進(jìn)行分離,形成各自對應(yīng)的色譜峰,再采用質(zhì)譜進(jìn)行分析鑒定。通過計(jì)算機(jī)譜庫檢索和資料分析,結(jié)合保留指數(shù),從而確定各個(gè)化學(xué)成分,運(yùn)用峰面積歸一化法,求得各成分的相對含量[16]。采用Origin和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 金絲桃提取精油得率比較

金絲桃提取精油得率見表1,其中花苞提取精油得率最高(0.29%),葉片提取精油得率最低(0.06%)。

表1 金絲桃精油提取結(jié)果

2.2 金絲桃精油香氣成分的GC-MS分析

試驗(yàn)通過氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)鑒定的方法,對金絲桃花朵、花苞、葉片精油的香氣成分進(jìn)行了測定分析。對檢測出的成分采用MS數(shù)據(jù)庫和保留時(shí)間定性,按照面積歸一法定量,對提取精油的化學(xué)成分進(jìn)行分析鑒定(圖1)。分析表明,萜烯類物質(zhì)是金絲桃精油的主要成分,在花苞、花朵、葉片中的相對含量分別占比52.96%、46.61%、59.86%。

圖1 金絲桃精油各類別比例Fig.1 Proportion of essential oil of H. monogynum

2.2.1 花苞精油成分分析 花苞精油中揮發(fā)性成分較多,色譜峰主要集中在5～25 min。在花苞精油中共鑒定出110種揮發(fā)性物質(zhì)(圖2),主要成分有壬烷(17.04%)、β-蒎烯(10.80%)、γ-紫羅蘭烯(5.87%)、姜黃烯(5.86%)、蒎烯(4.90%)、β-石竹烯(2.96%)、十一烷(2.25%)、卡地烯(2.09%)等。主要類別以及各類代表物質(zhì):萜烯類化合物(52.96%)共有35種,其中占比高的主要是β-蒎烯、γ-紫羅蘭烯、姜黃烯、蒎烯、β-石竹烯、卡地烯、欖香烯、香橙烯、β-波旁烯等;烷烴類化合物(22.22%)共有15種,主要成分為壬烷、十一烷、1-氯-5-甲基己烷、十四甲基六硅氧烷、1-氨基-3-氯丙烷等;醇類化合物(9.62%)共有18種,主要成分為桃金娘醇、桉油烯醇、依蘭油醇、松香醇、α-紅沒藥醇、紫蘇醇等;芳香族化合物(7.02%)共有10種,主要成分為八氫-四甲基-環(huán)丙烯萘、1-異丙基-4,7-二甲基-1,2,3,4,4a,5-六氫萘、6-甲基-1-亞甲基-4-異丙基-1,2,3,4-四氫萘、4,7-二甲基-1-丙二醇-1-烯-2-基-八氫萘等;酮類化合物(3.89%)共有8種,主要成分為表姜烯酮、松果酮、桉雙烯酮、3,5-二甲基環(huán)己酮等;酯類化合物(2.69%)共有8種,主要成分為癸酸甲酯、2-癸烯酸甲酯、桃金娘酯、1,2-苯二甲酸二丁酯、辛酸甲酯等;除此之外還有其他化合物如2-苯丙胺、反式-2-癸烯醛等。

圖2 金絲桃花苞精油總離子圖Fig.2 Total ionchromatogram of essential oil from H. monogynum bud

2.2.2 花朵精油化學(xué)成分分析 花朵精油中揮發(fā)性成分較多,色譜峰主要集中在5～22 min。在花朵精油中共鑒定出74種揮發(fā)性物質(zhì)(圖3),主要成分有壬烷(15.09%)、β-蒎烯(7.18%)、α-可帕烯(6.56%)、去氫白菖烯(5.42%)、α-姜黃烯(5.26%)、1,3-苯二甲酸(3.35%)、蒎烯(2.87%)、別香橙烯(2.78%)等。主要類別包括萜烯類、烷烴類、醇類、芳香族、酮類、酯類等。主要類別以及各類代表物質(zhì):萜烯類化合物(46.61%)共有23種,主要成分為β-蒎烯、α-可帕烯、α-姜黃烯、去氫白菖烯、別香橙烯、蒎烯、β-石竹烯、香橙烯等;烷烴類化合物(19.13%)共有8種,主要成分為壬烷、十一烷、十四甲基六硅氧烷、癸烷等;醇類化合物(12.95%)共有13種,主要成分為檀香醇、桉油烯醇、桃金娘醇、3,4-二羧基苯乙二醇、木香醇、2-溴-2-硝基-1,3-丙醇等;芳香族化合物(7.02%)共有10種,主要成分為八氫-四甲基-環(huán)丙烯萘、6-甲基-1-亞甲基-4-異丙基-1,2,3,4-四氫萘、4,7-二甲基-1-丙二醇-1-烯-2-基-八氫萘等;酮類化合物(4.34%)共有7種,主要成分為4-(2,6,6-三甲基-1-環(huán)己烯基)-3-丁烯-2-酮、表姜烯酮、松果酮、4-壬酮等;酯類化合物(3.74%)共有10種,主要成分為癸酸甲酯、2-(甲氧苯基)氨基甲酸乙酯、2-癸烯酸甲酯、2-溴乙酸乙酯、辛酸甲酯等;除此之外還有其他化合物如2,3-噻吩二甲醛、1,3-苯二甲酸等。

圖3 金絲桃花朵精油總離子圖Fig.3 Total ionchromatogram of essential oil from H. monogynum flower

2.2.3 葉片精油化學(xué)成分分析 由圖4可以看出,葉片精油中揮發(fā)性成分較少,色譜峰主要集中在5～19 min。在葉片精油中共鑒定出41種揮發(fā)性物質(zhì),主要成分有順式木羅拉-3,5-二烯(17.59%)、β-石竹烯(12.09%)、異來烯(10.91%)、2-對硝基苯基-惡二唑-1,3,4-酮-5(8.57%)、反式佛手柑(3.83%)、1-異丙基-4,7-二甲基六氫萘(3.82%)、古蕓烯(3.17%)、五氯乙烷(2.34%)、壬烷(2.56%)等。主要類別包括萜烯類、酮類、芳香族、酯類、烷烴類等。主要類別以及各類代表物質(zhì)為:萜烯類化合物(59.86%)共有12種,主要成分為順式木羅拉-3,5-二烯、β-石竹烯、異來烯、古蕓烯、大牛兒烯D、β-波旁烯等;烷烴類化合物(7.24%)共有4種,主要成分為壬烷、五氯乙烷、1-氨基丁烷等;芳香族化合物(8.77%)共有6種,主要成分為1-異丙基-4,7-二甲基六氫萘、八氫-環(huán)丙萘、1-(2-羥基-4,5-二甲氧基苯基)-3-甲基等;酮類化合物(8.97%)共有2種,主要成分為2-對硝基苯基-惡二唑-1,3,4-酮-5、5,5-二氯-6,6-二甲基,螺環(huán)-己烷-4-酮等;酯類化合物(8.60%)共有8種,主要成分為反式佛手柑、三甲基-1,5-二烯-4-基乙酸酯、異亞硝基丙二酸二乙酯等;醇類化合物(1.50%)共有2種,主要成分為2-氨基-1-苯基乙醇、3-丁炔-1-醇;除此之外還有化合物如酰胺咪嗪(0.97%)、2-苯乙胺(0.65%)、1,11-十一碳胺(0.50%)等。

圖4 金絲桃葉片精油總離子圖Fig.4 Total ionchromatogram of essential oil from H. monogynum leaf

2.3 金絲桃精油成分比較分析

通過氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)對金絲桃花朵、花苞、葉片精油的香氣成分進(jìn)行分析,并利用質(zhì)譜庫NIST14對提取精油的化學(xué)成分進(jìn)行分析鑒定。獲得金絲桃花朵、花苞、葉片精油中香氣成分?jǐn)?shù)據(jù)后進(jìn)行主成分分析(圖5)。選取30種含量較多(>2%)的化合物從金絲桃不同花期、不同部位提取精油進(jìn)行分析比較(表2)。

圖5 金絲桃精油主成分分析Fig.5 Principal component analysis of essential oil from H. monogynum

表2 金絲桃精油比較分析結(jié)果

2.3.1 主成分分析 由圖5可知,本次主成分分析共提取2個(gè)主成分(PC1和PC2),PC1和PC2的方差解釋率分別是60.3%和33.1%,累計(jì)方差解釋率為93.4%,說明這2個(gè)主成分能夠表達(dá)分析項(xiàng)93.4%的信息量,分析效果較好。花苞與花朵的向量夾角較小,葉片與花苞和花朵的向量夾角較大。說明花苞與花朵之間差異較小,花(花苞和花朵)與葉之間差異較大。萜烯類置信區(qū)間面積最大,烷烴類次之,這與圖1的結(jié)果一致。此外葉片、花苞、花朵向量上的代表揮發(fā)物與2.2節(jié)結(jié)果一致。

2.3.2 不同花期精油化學(xué)成分分析 由表2可知,不同花期得到的金絲桃精油成分類別差異相對較小,均以萜烯類化合物為第一大類,第二大類為烷烴類化合物。主要揮發(fā)性物質(zhì)為壬烷、β-蒎烯、α-姜黃烯、蒎烯、β-石竹烯、香橙烯等,且在花苞精油中的相對含量略高于花朵精油。由色譜圖可以看出,相比于花朵精油,花苞精油中揮發(fā)性成分較多,花朵精油中的揮發(fā)性成分較少,二者的相同化學(xué)成分相對含量差異性較小?；ò椭休葡╊?52.96%)、烴類(22.22%)、芳香族(7.02%)均高于花朵精油中萜烯類(46.61%)、烴類(19.13%)、芳香族(6.61%);而花苞精油中醇類(9.62%)、酮類(3.89%)、酯類(2.63%)均低于花朵精油中醇類(12.95%)、酮類(4.34%)、酯類(3.74%)。

2.3.3 不同部位精油化學(xué)成分分析 由表2可知,不同部位得到的金絲桃精油成分種類差異相對較大。雖然均以萜烯類化合物為主,花朵精油中檢測出的揮發(fā)性成分種類較多,葉片精油中的揮發(fā)性成分較少。此外,花朵和葉片中檢測出的相同物質(zhì)的相對含量差異也較大。如壬烷在花朵精油中相對含量為15.09%,在葉片精油中為2.56%。β-石竹烯在花朵精油中相對含量為2.48%,在葉片精油中為12.09%。葉片精油中萜烯類(59.86%)、酮類(8.97%)、芳香族(8.77%)所占比重較大,高于花朵精油中萜烯類(46.61%)、酮類(4.34%)、芳香族(6.61%);葉片精油中烷烴類(7.24%)、醇類(1.5%)低于花朵精油中烷烴類(19.13%)、醇類(12.95%)。

3 結(jié)論與討論

邵菲等[17]、李杰等[18]對墨蘭花的花朵精油的成分進(jìn)行了GC-MS分析,發(fā)現(xiàn)其花蕾期精油主要成分為棕櫚酸、亞油酸等,而盛花期萜烯類、酮類占比急劇增加,表明萜烯類、酮類可能對其花香有重要作用。本研究中發(fā)現(xiàn)金絲桃花朵中萜烯類占比極高,是金絲桃精油的主要來源。此外,白艷榮等[19]對四照花花朵的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了GC-MS分析,發(fā)現(xiàn)其中不僅萜烯類占比很高,烷烴類也有很高比例,表明烷烴類可能也是很多花朵的重要組分。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)壬烷(15.09%)是金絲桃花朵精油中含量最高的揮發(fā)性成分。在桂花、杜鵑花等其它多種香花植物花朵中也發(fā)現(xiàn)了高含量的壬烷[20-23]。進(jìn)一步表明壬烷等烷烴類物質(zhì)對花香的重要性。

此外,花苞精油中檢測到較高水平的γ-紫羅蘭烯(5.87%),該物質(zhì)在花朵精油中則沒有檢測到。γ-紫羅蘭烯是紫羅蘭酮的一種衍生物,紫羅蘭酮及其衍生物通常具有紫羅蘭的香氣,是桂花、茶葉等多種植物中重要的賦香物質(zhì)[24-26],可見在金絲桃花苞中,γ-紫羅蘭烯可能是重要的香氣物質(zhì)。值得注意的是,在花朵精油和花苞精油中均檢測到了很高比例的蒎烯及其衍生物,而在葉片中則沒有檢測到。蒎烯及其衍生物在茉莉、番荔枝等多種植物的鮮花揮發(fā)性成分中均具有很高比例,是重要的香味物質(zhì)[27-28]。蒎烯及其衍生物對金絲桃鮮花的香氣具有重要貢獻(xiàn)。本研究通過對金絲桃花苞、花朵、葉片提取精油的香氣成分進(jìn)行分析,為今后金絲桃在食品、藥品、園林綠化等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。精油含量與植物樣品特性、提取方法、儀器等都有關(guān)系,需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,后續(xù)可以在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究影響精油得率的原因。

采用水蒸氣蒸餾法提取金絲桃精油,工藝條件為蒸餾時(shí)間6 h,該條件下不同精油得率比較結(jié)果為花苞精油>花朵精油>葉片精油,并用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)鑒定其香氣成分及相對含量。主成分分析表明,萜烯類物質(zhì)是花苞、花朵、葉片精油中的第一大類主要成分。金絲桃花苞精油中共鑒定出110種揮發(fā)性物質(zhì),其中占比較多的為萜烯類(52.96%)、烷烴類(22.22%)、醇類(9.62%)。代表成分有壬烷(17.04%)、β-蒎烯(10.80%)、γ-紫羅蘭烯(5.87%)、姜黃烯(5.86%)等物質(zhì);金絲桃花朵精油中共鑒定出74種揮發(fā)性物質(zhì),其中占比較多的為萜烯類(46.61%)、烷烴類(19.13%)、醇類(12.95%)。代表成分有壬烷(15.09%)、β-蒎烯(7.18%)、α-可帕烯(6.56%)、去氫白菖烯(5.42%)等物質(zhì);在金絲桃葉片精油中共鑒定出41種揮發(fā)性物質(zhì),其中占比較多的為萜烯類(59.86%)、酮類(8.97%)、芳香族(8.77%)。代表成分有順式木羅拉-3,5-二烯(17.59%)、β-石竹烯(12.09%)、異來烯(10.91%)、2-對硝基苯基-惡二唑-1,3,4-酮-5(8.57%)等物質(zhì)。不同花期分析結(jié)果表明,花苞與花朵精油中成分類別差異相對較小,且花苞精油中代表揮發(fā)物如壬烷、β-蒎烯等物質(zhì)相對含量略高于花朵精油。不同部位分析結(jié)果表明,花朵與葉片精油中成分類別差異相對較大,葉片精油中代表揮發(fā)物如β-石竹烯、異來烯等物質(zhì)顯著高于花朵精油。